本發(fā)明專利涉及釤鐵氮磁體及其粉體制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用自蔓延高溫合成釤鐵氮磁體及其粉體的方法。

背景技術(shù)：

釤鐵氮(SmFeN)永磁材料是第三代永磁材料，釤鐵氮永磁體較第三代產(chǎn)業(yè)化永磁材料釹鐵硼(NdFeB)具有更優(yōu)越的磁性能，更高的居里溫度，更高的磁晶各向異性場(chǎng)，更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、抗氧化性、耐腐蝕性，可用在比釹鐵硼更嚴(yán)苛的環(huán)境下。

目前，釤鐵氮(SmFeN)的制備方法按照制粉方法的不同，主要有熔體快淬法(RQ)、機(jī)械合金化法(MA)、粉末冶金法(PM)、氫化-歧化-脫氫-再化合法(HDDR)。粉末冶金法、機(jī)械合成法存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)，能耗大的缺點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受到阻礙。氫化-歧化-脫氫-再化合法涉及工序多，且制備的材料性能不穩(wěn)定。

熔體快淬法主要步驟包括：熔煉—均勻化退火—熔體快淬成薄帶—晶化處理—破碎與球磨成粉末—氮化處理。該方法工藝條件要求苛刻，大規(guī)模生產(chǎn)有一定難度，而且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，能耗大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種采用自蔓延高溫燃燒合成釤鐵氮磁性材料的方法，該制備方法具有能耗低、周期短的優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種釤鐵氮磁性材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將包含釤鐵合金粉的原料進(jìn)行預(yù)壓，得到合金粉預(yù)坯體；

(2)將所述步驟(1)得到的合金粉預(yù)坯體進(jìn)行預(yù)熱處理；

(3)將所述步驟(2)預(yù)熱后的合金粉預(yù)坯體在預(yù)熱高純N₂中引燃進(jìn)行氮化燃燒反應(yīng)，得到釤鐵氮磁性材料。

所述釤鐵合金粉為具有式I所示化學(xué)組成的釤鐵合金粉；

(Sm_1-xRE_x)₂(Fe_1-pM_p)_17±0.6；

式I中，所述RE為稀土元素，所述M為過(guò)渡金屬元素。

所述釤鐵合金粉的平均粒徑為0.2～8μm。

所述步驟(1)中原料還包括助劑，所述助劑為稀釋劑或助燒劑。

所述稀釋劑為SmFeN合金粉，所述助燒劑為硝化纖維。

所述助劑的質(zhì)量為釤鐵合金粉質(zhì)量的(0％,20％]。

所述預(yù)壓坯的密度為2.2～5.5g.cm^-3。

所述步驟(2)中預(yù)熱處理前還包括：在所述合金粉預(yù)坯體表面涂覆稀釋劑層，所述稀釋劑層的厚度為1～20μm。

所述步驟(2)中預(yù)熱處理的溫度為200～980℃。

所述步驟(3)中預(yù)熱高純N₂的溫度為50～400℃

所述步驟(3)中的合金粉預(yù)坯體表面引燃氮化燃燒反應(yīng)的溫度為1400～2000℃，氮化燃燒反應(yīng)的反應(yīng)壓強(qiáng)為0.1～0.2MPa，氮化燃燒反應(yīng)的反應(yīng)溫度為1600～2500℃，氮化燃燒反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為0.5-10分鐘。

技術(shù)效果：本發(fā)明提供了一種釤鐵氮磁性材料的制備方法，簡(jiǎn)單總結(jié)一下技術(shù)方案，本發(fā)明采用自蔓延高溫燃燒合成釤鐵氮磁性材料，該合成反應(yīng)一經(jīng)引發(fā)便自動(dòng)地以極高的速度進(jìn)行，并在瞬間完成，氮在釤鐵合金中的固溶度大，氮在固溶時(shí)釋放的能量即可維持燃燒。能耗低、周期短。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種釤鐵氮磁性材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將包含釤鐵合金粉的原料進(jìn)行預(yù)壓，得到合金粉預(yù)坯體；

(2)將所述步驟(1)得到的合金粉預(yù)坯體進(jìn)行預(yù)熱處理；

(3)將所述步驟(2)預(yù)熱后的合金粉預(yù)坯體在預(yù)熱高純N₂中引燃進(jìn)行氮化燃燒反應(yīng)，得到釤鐵氮磁性材料。

本發(fā)明將包含釤鐵合金粉的原料進(jìn)行預(yù)壓，得到合金粉預(yù)坯體。在本發(fā)明中，所述釤鐵合金粉優(yōu)選為具有式I所示化學(xué)組成的釤鐵合金粉，

(Sm_1-xRE_x)₂(Fe_1-pM_p)_17±0.6；

式I中，所述RE為稀土元素，所述M為過(guò)渡金屬元素。

所述稀土元素(RE)優(yōu)選為Nd，Pr，La，Ce，所述x優(yōu)選為0～0.2；所述過(guò)渡金屬元素優(yōu)選為Co,Cu,Al,Nb,Zr，所述p優(yōu)選為0.02～0.1。

所述釤鐵合金粉的制備方法包含以下步驟：

(1)熔煉：將Sm、稀土元素RE、過(guò)渡金屬元素M、鐵，或者由前述元素構(gòu)成的中間合金混合，加入真空熔煉爐中，抽真空到10^-3Pa～10^-4Pa，升溫1400～1450℃，將所有金屬熔化成合金液；所述Sm、稀土元素RE、過(guò)渡金屬元素M、鐵的質(zhì)量比按式(Sm_1-xRE_x)₂(Fe_1-pM_p)_17±0.6中各元素的質(zhì)量比計(jì)算；

式I中，所述RE為稀土元素，所述M為過(guò)渡金屬元素；

所述稀土元素(RE)優(yōu)選為Nd，Pr，La，Ce，所述x優(yōu)選為0～0.2；所述過(guò)渡金屬元素優(yōu)選為Co,Cu,Al,Nb,Zr，所述p優(yōu)選為0.02～0.1；

(2)鑄片：合金液澆鑄到低溫的銅棍上，所述銅棍的溫度為15～30℃，構(gòu)成0.2～0.4mm厚度的合金薄片；

(4)氫破：將合金薄片在500～600℃氫氣氛中吸收氫，再在低溫(室溫)低壓放氫，將合金薄片破碎成約0.05～0.3mm的粗粉體；

(5)氣流磨：得到的粗粉體經(jīng)高壓氣流磨粉碎到所需粒度0.2～8μm，得到組成為(Sm_1-xRE_x)₂(Fe_1-pM_p)_17+0.6的釤鐵合金粉的原料。

在本發(fā)明中，所述釤鐵合金粉的平均粒徑優(yōu)選為0.2～8μm，更優(yōu)選為1～5μm，最優(yōu)選為2～4μm。

在本發(fā)明中，所述步驟(1)中的原料優(yōu)選還包括助劑，所述助劑優(yōu)選為稀釋劑和/或助燒劑；所述稀釋劑優(yōu)選為Sm₂Fe₁₇N_0.1-1，更優(yōu)選為Sm₂Fe₁₇N_0.8-1；所述助燒劑優(yōu)選為硝化纖維。在本發(fā)明中，所述助劑的質(zhì)量?jī)?yōu)選為釤鐵合金粉質(zhì)量的(0％,20％]，更優(yōu)選為5～15％，最優(yōu)選為8～13％。如果同時(shí)添加稀釋劑和助燒劑的，助燒劑不超過(guò)稀釋劑20％。

在本發(fā)明中，所述預(yù)壓優(yōu)選在N₂保護(hù)氛圍中進(jìn)行；所述預(yù)壓的壓力優(yōu)選為5～20MPa。具體的，本發(fā)明優(yōu)選將釤鐵合金粉在N₂保護(hù)下，松裝，軸向加壓獲得合金粉預(yù)壓坯體。在本發(fā)明中所述軸向壓力優(yōu)選為5～20MPa，更優(yōu)選為10～12MPa。

在本發(fā)明中，所述預(yù)壓坯的密度優(yōu)選為2.2～5.5g.cm^-3，更優(yōu)選為4～5g.cm^-3。

得到合金粉預(yù)坯體后，本發(fā)明將所述合金粉預(yù)坯體進(jìn)行預(yù)熱處理。所述預(yù)熱處理前，本發(fā)明優(yōu)選在所述合金粉預(yù)坯體表面涂覆稀釋劑層。在本發(fā)明中，所述稀釋劑優(yōu)選為Sm₂Fe₁₇N_0.1-1，更優(yōu)選為Sm₂Fe₁₇N_0.8-1；所述稀釋劑層的厚度優(yōu)選為1～20μm，更優(yōu)選為3～15μm，最優(yōu)選為5～11μm。

在本發(fā)明中所述預(yù)坯體的預(yù)熱處理溫度優(yōu)選為200～980℃，更優(yōu)選為300～900℃，最優(yōu)選為400～700℃。

所述預(yù)熱處理后，本發(fā)明將得到的預(yù)熱后的合金粉預(yù)坯體在預(yù)熱高純N₂中引燃進(jìn)行氮化燃燒反應(yīng)，得到釤鐵氮磁性材料。在本發(fā)明中所述預(yù)熱高純N₂的溫度優(yōu)選為50～400℃，更優(yōu)選為100～350℃，最優(yōu)選為200～300℃。

在本發(fā)明中，所述合金粉預(yù)坯體表面引燃氮化燃燒反應(yīng)的溫度優(yōu)選為1400～2000℃，更優(yōu)選為1500～1900℃，最優(yōu)選為1600～1800℃。在本發(fā)明中所述氮化燃燒反應(yīng)的反應(yīng)溫度優(yōu)選為1600～2500℃，更優(yōu)選為1800～2300℃，最優(yōu)選為1900～2200℃；所述氮化燃燒反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間優(yōu)選為0.5～10分鐘，更優(yōu)選為2～3分鐘；氮化燃燒反應(yīng)的反應(yīng)壓強(qiáng)優(yōu)選為0.1～0.2MPa。

所述氮化燃燒反應(yīng)后，本發(fā)明優(yōu)選將得到的反應(yīng)產(chǎn)物加壓致密得塊狀釤鐵氮磁性材料或破碎制粉，得到粉末狀的釤鐵氮磁性材料。

在本發(fā)明中，所述的加壓致密優(yōu)選為將得到的處于紅熱狀態(tài)的釤鐵氮磁性材料施加外部壓力，實(shí)現(xiàn)材料的致密化。在本發(fā)明中所述壓力優(yōu)選為0.5～20MPa，更優(yōu)選為2～18MPa，最優(yōu)選為5～15MPa；所述加壓方式優(yōu)選為鍛壓、彈簧機(jī)械加壓、液壓傳動(dòng)加壓。

在本發(fā)明中，所述破碎優(yōu)選為：將所述氮化燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物冷卻后進(jìn)行破碎處理，得到粉末狀的釤鐵氮磁性材料。在本發(fā)明中所述破碎后產(chǎn)物的粒徑優(yōu)選為0.5～10μm，更優(yōu)選為2～8μm，最優(yōu)選為4～6μm；所述破碎方式優(yōu)選為采用球磨或氣流磨進(jìn)行破碎。

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的釤鐵氮磁性材料的制備方法進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，但是不能把它們理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

實(shí)施例1

1)組成為(Sm_1.7Ce_0.3)(Fe₁₆Co)合金粉的制備：

將20.46kg金屬釤，3.36kg金屬鈰，71.49kg金屬鐵，4.7kg金屬鈷加入真空熔煉爐中，抽真空到0.0004Pa，升溫1445℃，將所有金屬熔化成合金液；合金液澆鑄到18℃的銅棍上，獲得0.28mm厚度的合金薄片；將合金薄片在600℃氫氣氛中吸收氫，再在室溫放氫，合金薄片被破碎成D50為0.1mm的粗粉體；粗粉體經(jīng)高壓氣流磨粉碎到D50為0.3μm，得到組成為(Sm_1.7Ce_0.3)(Fe₁₆Co)合金粉。

2)預(yù)壓坯：取200g組成為(Sm_1.7Ce_0.3)(Fe₁₆Co)的合金粉于200mm*50mm*20mm方形舟中松裝，松裝完后軸向加壓至相對(duì)密度40％(3.074g·cm^-3)，壓坯完后在坯表面覆蓋一層厚度為10μm的Sm₂Fe₁₇N稀釋劑，再將其放于燃燒反應(yīng)爐中；

3)預(yù)熱：將燃燒反應(yīng)爐預(yù)熱至700℃，將N₂預(yù)熱至300℃。

4)自蔓延高溫燃燒合成：往反應(yīng)爐中充入2MPa預(yù)熱后的高純N₂，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置引燃預(yù)壓坯坯體中心。在無(wú)外來(lái)熱源的補(bǔ)充下，氮化燃燒反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行直至反應(yīng)完全得到(Sm_1.7Ce_0.3)(Fe₁₆Co)N磁性材料。在反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)爐中氣壓下降時(shí)，補(bǔ)充N₂至所需范圍內(nèi)。

5)加壓致密：自蔓延高溫合成反應(yīng)完成10秒后，材料處于紅熱時(shí)，對(duì)其施加20MPa鍛壓壓力，從而實(shí)現(xiàn)材料的致密化，得到(Sm_1.7Ce_0.3)(Fe₁₆Co)N磁體。

實(shí)施例2

1)組成為(Sm_1.6Ce_0.4)(Fe_16.5Al_0.5)的合金粉的制備：

將35kg金屬釤，8.2kg金屬鈰，134.2kg金屬鐵，2.0kg金屬鋁加入真空熔煉爐中，抽真空到0.0001Pa，升溫1410℃，將所有金屬熔化成合金液；合金液澆鑄到29℃的銅棍上，獲得0.4mm厚度的合金薄片；將合金薄片在500℃氫氣氛中吸收氫，再在室溫放氫，合金薄片被破碎成D50為0.2mm的粗粉體；粗粉體經(jīng)高壓氣流磨粉碎到D50為7μm，得到組成為(Sm_1.6Ce_0.4)(Fe_16.5Al_0.5)釤鐵合金粉。

2)預(yù)壓坯：取50g組成為(Sm_1.6Ce_0.4)(Fe_16.5Al_0.5)的合金粉于直徑50mm*50mm*20mm合金粉松裝，松裝完后軸向加壓壓坯至相對(duì)密度65％(4.996g.cm^-3)，壓坯完后在坯表面覆蓋一層厚度為5μm的Sm₂Fe₁₇N稀釋劑，再將其放于高壓反應(yīng)爐中；

3)預(yù)熱：將高壓反應(yīng)爐預(yù)熱至980℃，將N₂預(yù)熱至400℃。

4)自蔓延高溫燃燒合成：往反應(yīng)爐中充入0.5MPa預(yù)熱后的高純N₂，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置引燃?jí)号髋黧w一個(gè)端面。在無(wú)外來(lái)熱源的補(bǔ)充下，氮化燃燒反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行直至反應(yīng)完全得到(Sm_1.6Ce_0.4)₂(Fe_16.5Al_0.5)₁₇N磁性材料。在反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)爐中氣壓下降時(shí)，補(bǔ)充N₂至所需范圍內(nèi)。

5)破碎：自蔓延高溫合成反應(yīng)完成后，待坯體冷卻，然后將其氣流磨破碎至粉體平均粒度為5μm，得到(Sm_1.6Ce_0.4)(Fe_16.5Al_0.5)N合金粉。

實(shí)施例3

1)組成為(Sm_1.8Pr_0.2)(Fe_15.2Ni_1.2)的合金粉的制備：

將41.92kg金屬釤，4.37kg金屬鐠，131.43kg金屬鐵，11kg金屬鎳加入真空熔煉爐中，抽真空到0.0008Pa，升溫1495℃，將所有金屬熔化成合金液；合金液澆鑄到22℃的銅棍上，獲得0.20mm厚度的合金薄片；將合金薄片在560℃氫氣氛中吸收氫，再在室溫放氫，合金薄片被破碎成D50為0.15mm的粗粉體；粗粉體經(jīng)高壓氣流磨粉碎到D50為0.3μm，得到組成為(Sm_1.8Pr_0.2)(Fe_15.2Ni_0.8)的釤鐵合金粉。

2)預(yù)壓坯：取200g組成為(Sm_1.8Pr_0.2)(Fe_15.2Ni_0.8)合金粉于200mm*50mm*20mm方形舟中松裝，松裝完后軸向加壓至相對(duì)密度45％(3.459g.cm^-3)，壓坯完后在坯表面覆蓋一層厚度為10μm的Sm₂Fe₁₇N稀釋劑，再將其放于燃燒反應(yīng)爐中；

3)預(yù)熱：將燃燒反應(yīng)爐預(yù)熱至200℃，將N₂預(yù)熱至50℃。

4)自蔓延高溫燃燒合成：往反應(yīng)爐中充入1.5MPa預(yù)熱后的高純N₂，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置引燃?jí)号髋黧w中心。在無(wú)外來(lái)熱源的補(bǔ)充下，氮化燃燒反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行直至反應(yīng)完全得到(Sm_1.8Pr_0.2)(Fe_15.2Ni_0.8)N磁性材料。在反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)爐中氣壓下降時(shí)，補(bǔ)充N₂至所需范圍內(nèi)。

5)加壓致密：自蔓延高溫合成反應(yīng)完成10秒后，材料處于紅熱時(shí)，對(duì)其施加18MPa鍛壓壓力，從而實(shí)現(xiàn)材料的致密化，得到(Sm_1.8Pr_0.2)(Fe_15.2Ni_0.8)N磁體。

實(shí)施例4

1)組成為(Sm_1.6La_0.4)(Fe_16.5Al_0.5)的合金粉的制備：

將69kg金屬釤，16kg金屬鑭，265kg金屬鐵，11.6kg金屬鋁加入真空熔煉爐中，抽真空到0.0009Pa，升溫1475℃，將所有金屬熔化成合金液；合金液澆鑄到23℃的銅棍上，獲得0.27mm厚度的合金薄片；將合金薄片在575℃氫氣氛中吸收氫，再在室溫放氫，合金薄片被破碎成D50為0.18mm的粗粉體；粗粉體經(jīng)高壓氣流磨粉碎到D50為0.33μm，得到組成為(Sm_1.6La_0.4)(Fe_16.5Al_0.5)的合金粉。

2)預(yù)壓坯：取200g組成為(Sm_1.6La_0.4)(Fe_16.5Al_0.5)的合金粉于直徑200mm*50mm*20mm合金粉松裝，松裝完后軸向加壓壓坯至相對(duì)密度50％(3.843g.cm^-3)，壓坯完后在坯表面覆蓋一層厚度為20μm的Sm₂Fe₁₇N稀釋劑，再將其放于高壓反應(yīng)爐中；

3)預(yù)熱：將高壓反應(yīng)爐預(yù)熱至500℃，將N₂預(yù)熱至200℃。

4)自蔓延高溫燃燒合成：往反應(yīng)爐中充入0.8MPa預(yù)熱后的高純N₂，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置引燃?jí)号髋黧w一個(gè)端面。在無(wú)外來(lái)熱源的補(bǔ)充下，氮化燃燒反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行直至反應(yīng)完全(Sm_1.6La_0.4)(Fe_16.5Al_0.5)磁性材料。在反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)爐中氣壓下降時(shí)，補(bǔ)充N₂至所需范圍內(nèi)。

5)破碎：自蔓延高溫合成反應(yīng)完成后，待坯體冷卻，然后將其氣流磨破碎至粉體平均粒度為5μm，得到(Sm_1.6La_0.4)(Fe_16.5Al_0.5)N合金粉。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。